USB-Ladegerät für Fahrrad mit Nabendynamo – für Bastler

  • Hallo Leute,


    ein USB-Ladegerät auf dem Fahrrad zur Verlängerung der Akkulaufzeit des mobilen Naiv-PNA-PDA wäre doch toll oder?


    Für Fahrräder mit Nabendynamo habe ich eine Lösung gefunden und gebaut:


    Ein Nabendynamo, z.B. von Shimano der DH-3N71 (Standard) bringt satte 13 Volt Wechselspannung bei ca. 10 km/h und die Spannung steigt unbelastet linear mit der Geschwindigkeit. Bei 50 km/h habe ich ca. 65V gemessen.
    Natürlich bricht die Spannung durch den Innenwiderstand des Dynamo bei Belastung ein.


    Die Fronscheinwerferbirne hat folgende Leistungsdaten: 6V/2,4W. Das Rücklicht 6V/0,6W. Zusammen ergibt das 3W Leistung bei 6V und wer das ohmische Gesetz beherrscht schließt daraus, dass man dem Dynamo ca. 500 mA entzutzeln kann. Gerade so viel wie die Spezifikation für den USB-Port als Maximum vorschreibt.


    Nun gab es im Forum schon Hinweise auf Conrad Electronic und den dort erhältlichen Bausatz mit dem LM317 und dieser bildet auch die Basis für die vorgeschlagene Schaltung (zumindest als Anregung bei mit; ich hatte alle Komponenten so Zuhause).


    Die Spannung vom Dynamo kann man entweder durch Zwischenstecker am Frontscheinwerfer abgreifen oder das Kabel vom Dynamo schneiden und ein Abzweigkabel anlöten (oder mit Lüsterklemmen schrauben fehlende Langzeitstabilität). Ich habe nur die Isolierung etwas entfernt und ein Abzweigkabel angelötet.


    Die Wechselspannung vom Dynamo muß gleichgerichtet werden. Ein Gleichrichter mit mindestens 40V Spannungsfestigkeit und 800 mA Strom sollte es tun (z.B. B40/C800). Um die, durch die relativ niedrige Frequenz beim langsamen Fahren entstehende Pulsierung des Stromes auszugleichen, muß eine große Kapazität eingebaut werden. Ich habe mal 1000 µF / 63V verbaut. Außerdem ist laut Datenblatt des LM317 ein kleiner Kondensator zwischen Eingang und Masse als Schutz vor Schwingungen notwendig (0,1µF/63V).


    Da man beim Navi nie weiß, wie es den Dynamo gerade belastet, muß man eine Schutzschaltung im Ladegerät vorsehen, damit die hohe Leerlaufspannung des Dynamo nicht den LM317 zerstört. Dieser verträgt nur ca. 40V am Eingang.


    Bei meinem P4410 / PNA470T habe ich folgende Stomverberbräuche gemessen:
    P4410 im Standby*, aber voll geladen und über USB mit Spannung versorgt: Strom ca. 47 mA bei 5 V.
    P4410 im Standby*, aber teilweise entladen: 117 mA @ 5V
    P4410 im Betrieb, geladen: 237 mA @ 5V
    P4410 im Betrieb, aber teilweise entladen: 287 bis 337mA pulsierend @ 5V
    * Standby meint, das Gerät wurde nur durch kurzen Tastendruck ausgeschaltet.


    Die Schutzschaltung besteht aus 3 Zehnerdioden (2x 12V und 1x 9,1V) in Reihenschaltung und einem 27 Ohm-Widerstand ebenfalls in Reihe und das ganze parallel zum Ladekondensator (1000µF). Ist nun keine Belastung am USB-Port und die Spannung überschreitet den Wert von 33,1V (2x 12V + 9,1V), beginnt ein Strom durch die Zehnerdioden zu fließen. Dieser wird um so größer, je schneller man fährt und je größer der Strom wird, desto mehr bricht die Spannung ein ein Regelkreis also. Die Schutzschaltung schützt den LM317 so zuverlässig vor Überspannungen und beginnt aber auch erst ab ca. 25km/h einzusetzen. Ist ein Navi am USB-Port angeschlossen, kommt die Schutzschaltung selten zum Einsatz.


    Mit der nun zur Verfügung stehenden Gleichspannung kann der LM317-Eingang beaufschlagt werden. Ein Spannungsteiler an seinem Ausgang von 243 Ohm zu 710 Ohm und Rückführung der Mittelanzapfung auf den Adjustment-Pin des LM317 führt zum gewünschten Ergebnis von 5V am Ausgang. Eine weiße LED mit in Reihe mit einem 390 Ohm-Widerstand führt dazu, dass man immer überprüfen kann, ob das Ladegerät auch angeschlossen ist und die weiße LED ist auch bei Sonneneinstrahlung gut abzulesen im Gegensatz zu rot, grün oder gelb. Ein 330µF Kondensator am Ausgang sorgt dafür, das auch beim langsamen Fahren unterhalb von 10 km/h die LED nicht flackert und damit die 5V sauber am USB-Port anstehen. Der USB-Port des Navi läßt keinen Strom aus dem Port herausfließen, so daß eine Schutzdiode nicht notwendig wird.


    Dann braucht man nur noch ein USB-Kabel mit Mini-USB-Stecker opfern, will sagen, man schneidet den Teil des Kabels mit dem Mini-Stecker für seine Länge ab und lötet Pin 1 an den Ausgang des LM317 und Pin 4+5 an Masse bzw. Ground. Fertig ist das Ladegerät. Die Belegung des USB-Steckers findet man hier:
    http://www.hardwarebook.info/Universal_Serial_Bus_(USB)


    Es wurde von mir schon auf einigen Fahrten auch bei hohen Geschwindigkeiten bis max. 55 km/h getestet und das Navi war bei der Heimkehr immer so gut wie voll geladen. Selbst bei sehr langsamer Fahrt von ca. 10 km/h sthet noch "Power" für das Navi bereit.


    Den LM317 habe ich auf einen Fingerkühlkörper geschraubt (FK223/SA-CB bei Conrad Electronic). Die Schaltung habe ich lose verdrahtet, damit bei Regen keine Kurzschlüsse etc. entstehen. Zwischen den Eingang des Netzgerätes und den Dynamo habe ich eine Steckverbindung gebaut, so daß das Netzgerät jederzeit vom Dynamo trennen kann (Kupplung 5,5/2,5 mm / Kabel mit Stecker 5,5/2,1 Gerade - auch Conrad).


    Viel Spaß!
    Werner

  • Statt meinen Vortrieb durch unnötigen Balast und Reibung durch einen Dynamo einzubremsen würde ich eher etwas schneller fahren und auf den (Reserve)Akku vertrauen.
    Mal ganz davon abgesehen dass die PNA mit 16:10 Display allesamt zu groß und schwer für den Fahrradlenker sind


    Sascha

  • Also ich finde die Arbeit großartig.


    Warum muss man immer gleich Gegenargumente bringen?


    Ein Nabendynamo arbeitet doch wohl immer, oder?


    Der Verbrauch des Navi wird also den Vortrieb unmerklich bremsen.
    So sensible Beine das zu merken hat keiner.


    Wer viel mit dem Rad fährt wird es zu schätzen wissen.


    Leider für mich als Laien etwas zu kompliziert.

    Fährt man Rückwärts gegen einen Baum, verkleinert sich der Kofferaum!!

  • SaBo :
    Nicht doch gleich so negativ bitte.


    @weißnix:
    Danke, dass Du dir soviel mühe gemacht hast, dein Wissen hier so toll aufbereitet in deinem erst 1. Posting für die Allgemeinheit zur Verfügung zu stellen. Deine detaillierte Beschreibung stellt sicher dem einen oder anderen eine sehr gute Unterstützung dar.
    Weiter so.


    Gruß
    TeeSteinchen

  • den beitrag finde ich echt gut, für user mit ein wenig hintergrundwissen um elektronik gut nachvollziehbhar, andere werden nachfragen! wer nur bahnhof versteht - finger weg!
    prädikat für mich: klasse! :tup



    mfg rohoel.

  • Zitat

    Original von rohoel
    den beitrag finde ich echt gut, für user mit ein wenig hintergrundwissen um elektronik gut nachvollziehbhar, andere werden nachfragen! wer nur bahnhof versteht - finger weg!
    prädikat für mich: klasse! :tup



    mfg rohoel.


    Hallo,


    da gibt es nur Zustimmung, erste Sahne. Es muß ja auch noch Leute geben, die nicht nur das übliche Bla Bla hier zum Besten geben, wie z. B. mein Navi braucht 28,05 Sekunden bis zum Satfix.


    Über einen solchen Beitrag, wie von weißnix, kann man sich nur freuen. :respekt


    Der weißnix weiß mehr als mancher Andere,


    Gruß Karl

    Mißerfolge muß man sich erarbeiten. Erfolge bekommt man geschenkt

  • Klasse Beitrag!


    Wenn ich einen Nabendynamo hätte, dann würde ich das glatt nachbauen. Aber mein alter Klappdynamo bremst mich da zu sehr aus.


    Ich verwende bisher einen externen Akkupack, funktioniert soweit auch ganz gut. Man muss halt immer dran denken, frische Akkus mitzunehmen und diese dann noch irgendwie befestigen. Da wäre die Lösung mit dem Nabendynamo schon praktischer. (Andererseits taugt der Akkupack auch für Wanderungen, da hat man selten seinen Dynamo dabei.)


    Was mich noch interessieren würde: War die Hintergrundbeleuchtung bei deinen Messungen der Stromaufnahme auf hell oder dunkel? Ich hatte schon mal den Fall, dass mein Notebook beim Anschluss des P4410 gestreikt hat und eine Meldung wegen zu hoher Stromaufnahme gebracht hat. Da hatte ich allerdings das Display auf voller Helligkeit und der Akku war fast ganz leer.


    Gruß Rudi

  • @weißnix


    Sehr schöner Vorschlag! Prima!


    Als alter Elektronik-Entwickler darf ich noch ergänzen:


    Der Anti-Schwing-Kondensator am Eingang des Stabi sollte ein keramischer Scheibenkondensator sein, kein Wickelkondensator oder Elko o. ä., sonst kann die Schaltung trotzdem instabil werden.


    Wenn man es ganz perfekt machen will, lötet man auch am Ausgang des Stabi noch einen weiteren Kondensator der genannten Bauart gegen Masse ein.


    Und bei diesen Entkopplungs-Cs immer auf kurze Anschlüsse achten und sie räumlich nahe am LM-Stabi positionieren.


    Alle Bauteile auch mechanisch gut im Gehäuse fixieren: Bei den Vibrationen am Fahrrad bricht leicht etwas ab. (Ein Tropfen Pattex wirkt da Wunder...)


    Gruß
    Max

  • Zitat

    Original von SaBo
    Mal ganz davon abgesehen dass die PNA mit 16:10 Display allesamt zu groß und schwer für den Fahrradlenker sind


    Konkret sind es bei 480/272 zwar 'nur' 16:9, aber auch hierbei muß auf eine stabile Befestigung geachtet werden.



    @weißnix


    Gute Idee! :tup

  • Hallo weißnix,
    gibt es schon einen funktionierenden Prototyp?
    Habe darüber etwas gegoogelt, leider nix gefunden. ?(
    Ich würde raten so was anfertigen und Patentschützen. ;)
    Da ich beabsichtige mit Fahrrad längere Strecken zu fahren, würde mich so was auch interessieren.
    Wenn es was Neues gibt, lass uns bitte hier in Forum wissen. :)


    Gruß


    freenet

  • Das Navi-Ladegerät für das Fahrrad, gespeist durch den Nabendynamo finde ich eine tolle Idee. Sicherlich hätte man den Bauteileaufwand mit einem Festspannungsregler noch verringern können. Aber preislich bringt da ja auch nicht viel. Die Idee ist trotzdem toll.
    Hätte ich ein Fahrrad, dann würde ich meinem Navi das auch gönnen.
    Mit freundlichen Grüßen aus Hamburg
    dl5hal

  • dl5hal


    Na, ein Standard-7805-Festspannungsregler kann nur eine Eingangs-Gleichspannung von etwa 35 V verkraften. Das Risiko würde ich persönlich nicht eingehen wollen...


    Dann wäre bei voller Radl-Geschwindigkeit (Toleranzen des Nabendynamos einbezogen) der Fest-Stabi vielleicht schneller defekt, als einem lieb ist, und im "besten" Fall das angeschlossenen Navi auch, falls der Stabi im Defektfall auf "Durchlaß" schaltet. Die Zenerdioden sind nämlich nach meiner Erfahrung nicht besonders schnell bei Spannungsspitzen.


    Gruß
    Max
    (DK7Q*)